生命・地球と環境

生物と細胞

細胞は生物の基本単位で、細胞膜によって内外を隔て、内部の反応を調節する。細菌は核膜に包まれた核を持たない原核生物で、酵母などの真菌は真核生物に属する。生物の範囲を問う短答では、設問が掲げる定義を使う。細胞からできていることや、自ら物質・エネルギーを利用して増殖する仕組みがあることを条件とするなら、ウイルスは細胞構造を欠き、宿主細胞の仕組みを利用して増える点で条件から外れる。

真核細胞では、ミトコンドリアが呼吸によるエネルギーの取り出しに関わり、植物の光合成を行う細胞では葉緑体が光のエネルギーを使って有機物を合成する。ゴルジ体はタンパク質などを加工し、行き先に応じて仕分ける。同じ個体の中でも細胞の構造は役割によって異なる。例えば、哺乳類の成熟した赤血球は分化の過程で核を失う。

DNAの複製と遺伝

増殖中の真核細胞では、分裂前のS期に核のDNAが複製される。DNAポリメラーゼは短い足場となるプライマーから、新しい鎖を5′末端から3′末端へ向かって伸ばす。分裂前にDNA量が倍になるのは、各染色体のDNAが複製されるためである。DNA量の変化を読むときは、細胞一個当たりの量なのか、集団全体の量なのかを確認する。

遺伝は、親の遺伝情報が子に伝わることを指す。ヒトの核DNAは通常、両親から受け継がれ、ミトコンドリアDNAは通常、母親から受け継がれる。X連鎖の潜性形質では、X染色体を一本持つ人は、そのXに原因となる対立遺伝子を持つと形質が現れるというモデルで考える。Xを二本持つ人については、通常は両方にその対立遺伝子がある場合を数える。例えば、男女で対立遺伝子頻度がともに0.1で、無作為に配偶し、この単純な発現モデルが成り立つ集団なら、前者の割合は0.1、後者は0.1×0.1で0.01となる。家系を扱う問題では、集団の頻度より先に、どの親からどの染色体を受け取るかをたどる。

地球史と進化

地球の形成後に生命が現れ、酸素を発生する光合成が広がった。その酸素は海水中の鉄を酸化し、鉄を含む鉱物の沈殿をもたらした。真核生物の出現は、カンブリア紀初めに多様な動物の化石が地層に現れるより古い。地球史の順序を問われたら、地球の形成、代謝の成立、生物群の出現、絶滅という出来事を分けて並べる。化石を使う場合、広い範囲に分布し、生存期間が比較的短い生物の化石は地層の年代を絞る手掛かりになる。特定の環境にすむ生物の化石は、堆積した場所の水深や水温などを推定する手掛かりになる。

大気と気象

地表は太陽からエネルギーを受け取り、赤外線を放つ。二酸化炭素などの温室効果ガスはその赤外線を吸収し、大気からは地表にも赤外線が放射される。他の条件が同じなら、二酸化炭素が増えると、地表付近はエネルギーの収支が再び釣り合うまで温まる方向に変化する。大気中の二酸化炭素濃度には長期変化に加えて季節変化があり、北半球では陸上植物の光合成が盛んな時期に低下する傾向がある。

気象は、ある時刻や期間の気温、風、降水などの大気の状態を扱う。気候は、それらの長期間の平均やばらつき、極端な現象の起こり方で表す。湿った空気が上昇すると、周囲の気圧が下がるにつれて膨張し、冷える。空気が冷えて飽和に達し、さらに冷えると、条件がそろえば水蒸気の一部が凝結して雲粒になる。地表付近で物体の表面が露点まで冷える場合には、その表面に露が生じうる。